산업자동화분야는 기계, 전자 및 정보 기술의 복합적 구성에 의하여 이루어지는 첨단분야로 최신기술의 급속한 발전에 따라 다기능, 고도의 기술들이 계속해서 나타나고 있다. 이러한 기술중 90년대부터 산업자동화의 근본이라 할 수 있는 통신분야에서 두각을 나타내고 있는 기술이 세계적으로 그 사용이 확산되고 있는데 바로 필드버스(Fieldbus)라고 불리우는 산업 통신망이다. < 편집자 주>
1990년대 들어 산업자동화 분야에 있어서 80년대와는 다른 기술이 적용되기 시작했는데, 그것은 통신을 이용한 제어 방식의 활성화였다. 통신을 이용한 메시지 전송은 미국에서부터 시작되어 전 세계적으로 확산이 되면서 지속적인 발전을 이루어왔지만, 90년대 이전까지 통신을 이용하여 메시지 전송을 주로 사용한 분야는 Personal Computer 영역이나 그 상위의 영역이었고, 자동제어 영역에서 보게되면 각 공장간 혹은 공정간 영역에서의 메시지 교환을 중심으로 이루어져 왔다.
가장 흔하게 적용된 예를 보면, PC와 PLC간의 메시지 교환이나 혹은 PLC와 PLC간의 Networking 구축을 들 수 있다. 주로 대 용량의 데이터를 공유하기 위해 사용하던 이러한 통신방법이 90년대를 기준으로 하여 산업현장에 적용되면서 Fieldbus라는 이름으로 불려지게 되었다.
필드버스가 왜 필요한가
Fieldbus란 용어가 발생된 원인을 살펴보면 다음과 같다. 제품을 생산하기 위해서는 생산설비가 반드시 필요하고, 수반된 생산 설비를 제어하기 위해서 제어용 컨트롤러가 필요한데, 지금까지 생산설비를 제어하기 위해서는 PLC류의 제어기기를 많이 사용했다.
생산설비가 정상적으로 동작되기 위해서는 각각의 공정에 필요한 Sensor나 Actuator들이 제어기기의 Input/Output 장치에 연결되어야 하는데, Fieldbus System에서는 제어기기에 장착되는 Input/Output 장치가 Sensor나 Actuator에 근접해서 설치되는 형태로 변경된다. 즉, 제어기기의 Input과 Output 장치가 생산설비에 분산되어 적절히 설치되고 이들을 통신선을 이용하여 제어기기와 연결하는 형태로 만드는 것이다.
이렇게 입출력용 제어기기 장치가 생산현장에 분산되는 형태를 취한다고 해서 생산현장을 의미하는 ‘Field’와 통신을 의미하는 ‘Bus’를 합하여 FieldBus라고 부르게 된 것입니다. 이러한 형태를 취하는 시스템을 특정상품명이나 회사명에 관계없이 Fieldbus라 부르고 있으며, 현재 전세계적으로 약 100여개의 Fieldbus 형태의 시스템이 시장에 나와 있는 것으로 알려지고 있다.
Fieldbus에 대한 시작은 처음에는 특정한 제어기기(PLC 등) Maker가 독자적으로 구축한 시스템을 중심으로 활성화되기 시작하는데, 이렇게 특정 Maker에 의해서 특정분야에 구축된 Fieldbus를 ‘Closed System’ 혹은 ‘Company Specific Protocol’이라 한다. 하지만 특정회사의 시스템을 이용(Closed System)하여 생산설비를 구축하는 경우에는 다음과 같은 문제 가 발생할 소지가 있는데 이는 해당회사에서 구축한 시스템만으로는 사용자가 원하는 모든 기능을 맞추기가 어려운 경우가 발생 하거나 혹은 다른회사에서 생산되는 제품을 시스템에 첨가해서 사용할 경우에는 (예를 들어 Robot, HMI, Drive등의 연결시) 공정제어상 메시지(데이터) 호환을 위해서 이것에 맞는 Input/Output 장치를 또 사용해야 하는 현상이 발생되기 때문에, 현장에 공통 Input/Output 장치를 설치하는 효율성의 반감 및 그 의미 자체가 감소된다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여 시장에 나타난 것이 ‘Close System’과는 반대개념을 가진 ‘Open System’이다. 이러한 Open System은 대개 특정단체(조합, 협회, Club형태)가 중심이 되어 제조업체와 사용자 Group성격을 가지고 관련정보의 공유 및 공동 마케팅을 그 목적으로 하는데 이는 어느 특정업체가 각종의 산업현장에 필요한 모든 제품을 생산하는 것은 불가능한 관계로 이러한 단체를 통하여 공통된 표준을 제조업체간 공동으로 공유하게 되면 관련 제품들이 서로간 호환성을 유지 할 수 있다는 실효성이 있기 때문이다.
산업 자동화에서의 이점
필드버스의 일반적인 계층구조 OSI 7계층을 기반으로 하고 있다. OSI 7계층 구조에서 7계층인 응용계층, 2계층인 데이터 링크 계층, 그리고 1계층인 물리 계층으로 구성되어 있으며, 실제 사용되고 있는 각 필드버스들에는 조금씩 변형된 형태가 쓰이고 있다.
특히 데이터 링크 계층은 OSI 2계층에서 4계층까지의 기능을 적절히 축소한 범위에서 제공할 수 있도록 하며 임계 시간을 갖고 있는 응용 기능을 처리할 수 있도록 버스를 관리한다. 필드버스 규약은 엄격한 실시간 요구가 만족되어야 하기 때문에 절대적으로 3계층 구조를 택하며, 보통 필요한 기능들만으로 제한하고 있다.
필드버스란 산업용 자동화 시스템의 하위 레벨에 위치한 센서, 단일 루프 제어기, 논리연산장치(PLC), 모터, 밸브, 로봇 등 필드레벨의 기기를 통제하는 산업용 네트워크라 말할 수 있다. 디지털 방식을 기반으로 하고 있어 기존 아날로그 통신 방식에 비해 다량의 신호를 원거리까지 전송할 수 있고, 종래의 각각의 현장 기기나 입출력 모듈의 엄청난 가닥 수의 케이블 대신 한가닥의 네트워크선을 사용함으로써 배선을 절약할 수 있고, 설치가 간소화된다.
필드버스는 또한 획기적인 정보통신 기술의 혁명에 힙입어 운영에 필요한 각종 데이터 및 진단 내용을 실시간으로 제공하며, 발생할 수 있는 사용자의 에러를 최소화하고 이기종의 장비들 간에 상호 동작성을 보장한다. 또한 시스템 통합의 용이성과 시스템의 유연성, 확장성, 유지 보수성을 높여 시스템의 기능과 성능을 향상시키는 등 다양한 기능을 수행할 수 있게 된다. 이러한 다양한 장점으로 산업 자동화의 현장에서 필드버스의 채택이 빠르게 진행되고 있다.
특히 최근들어 필드기기들의 표준화과 진행되고 많은 노력이 기울여지고 있다. 이렇게 필드기기들이 표준화된다는 것은 시스템의 확장성이나 필드기기의 첨가가 휠씬 더 간단해져 어떤 인터페이스나 변환기도 필요하지 않다는 것을 의미한다. 필드버스 규약은 보통 네개의 계층과 하나의 관리 서비스를 포함한다. 필드버스는 사용자가 데이터 링크 계층이나 응용계층에 관계할 필요가 없다는 장점이 있다. 단지 사용자는 관리 서비스에 대한 제한된 지식만으로도 충분하다.
현재 세계적으로 크게 사용되고 있는 필드버스 Open System으로는 Profibus, Interbus, WorldFIP, Device Net, Actuator Sensor Interface (AS-interface) 등을 들 수 있다. 이 중에서 Profibus, WorldFIP, DeviceNet은 제어기기(PLC) Maker인 씨멘스, 슈나이더 일렉트릭, 로크웰 오토메이션 같은 다국적기업이 주축이 되고 있는 반면에, Interbus나 AS-interface같은 경우는 PLC를 생산하지 않는 업체가 주축이 되어 활동하고 있다.
산업용 이더넷 시장의 성장
세계 산업용 이더넷 시장은 현재 51.4%의 고성장을 지속하고 있는 중이다. ARC에 따르면, 산업용 이더넷 시장은 지난 2004년에 84만 유닛에 구축된 것으로 나타났으며, 향후 연평균 51.4%의 성장율을 보이면서 2009년에는 670만 유닛으로까지 확대될 것으로 전망되었다. 또한 산업용 이더넷 스위치 시장은 2004년 1억 2천만 달러를 보인데 이어 2009년에는 9억 4천만 달러로 성장, 연평균 49.9%의 성장률을 보일 것으로 분석되었다.
이러한 고성장이 전망되는 산업용 이더넷은 이제 산업용 네트워크의 대명사가 되었으며, 기존의 산업용 네트워크를 대표해 왔던 필드버스라는 용어를 무색케 하고 있다. 국제 표준으로 IEC 61158에서 선정한 7개의 필드버스중 5개와 ISO에서 제안한 6개의 필드버스를 합한 11개의 필드버스 프로토콜이 개방형 프레임워크를 수용하면서 개방화된 산업용 통신망으로 필드버스가 사용되고 활발한 현장 구축이 이루어지고 있다.
지난 2000년에는 처음으로 산업용 네트워크에 이더넷을 수용한 Ethernet/IP가 제출되어 국제 표준안으로 논의되기 시작한 이후, FF HSE, Profinet, Modbus TCP, EtherCAT 등 기존의 개방형 필드버스들이 모두 이더넷을 수용하는 방향으로 큰 물줄기를 이르고 있다.
왜 Ethernet 인가?
생산 시스템에서의 안정성을 생명으로 하는 산업 자동화 현장에서는 기기 및 시스템을 도입함에 있어 무척 폐쇄적인 경향이 있다. 이는 검증된 안정성이 담보되지 않은 시스템이나 솔루션을 가동중에 사소한 시스템 에러가 발생했을 경우, 전체 시스템 차원에서의 큰 피해를 감수해야 한다는 근본적인 이유가 내재되어 있기 때문이다. 이러한 폐쇄적인 산업 현장에서 이제 IT 정보기술의 핵심도구인 이더넷을 도입하려는 움직임이 활발하다.
지난 1973년 제록스의 Bob Metcalfe의 냅킨 스케치에 의해 태어난 이더넷(Ethernet)은 처음 사무실간의 통신을 위한 LAN으로 사용되었다. 최근에는 이더넷의 성능과 애플리케이션의 크게 확대되고 있다. 처음의 표준은 2.94 Mbps를 지원했었는데, 이후 Intel과 Digital Equipment사가 합류하여 10Mbps의 DIX 2.0 표준의 개발하였다. 동시에 IEEE(Institute of Electrical and Electronic Engineers)에서 지금의 이더넷 표준으로 알려진 CSMA/CD 802.3을 1983년에 규격 발표하였다. 최근에는 이더넷이 공장 라인으로 사용 분야를 확장하여 지능형 센서로부터 플랜트 관리 제어 시스템에 이르기까지의 산업용 컴퓨터 플랫폼으로 활용되기에 이르렀다. 이제 이더넷(Ethernet)이 산업용 이더넷(Industrial Ethernet)으로 한 단계 더 진보하고 있는 것이다.
특히 산업 자동화 분야에서는 분산 제어를 기반으로 하는 필드버스가 활성화되고 있으나 필드버스가 가진 장점에도 불구하고 현재 다양한 경로를 통해 구축되는 필드버스들이 서로 다른 물리적인 전송방식으로 동작된다는 고질적인 문제를 내재하고 있다. 이에 버스 특화된 인프라 구조 요소 및 상위의 버스 네트워크와의 연결을 위한 게이트웨이 그리고 통합을 위한 OPC 등이 추가로 요구된다.
이러한 이유로 모든 레벨의 데이터 교환을 위한 하나의 네트워크로 단일화 하고자 하는 산업계의 요구에 필드버스가 부응하지 못하는 측면이 존재해 왔다. 이러한 단점을 해소하고자 하는 돌파구로서 정보기술의 기초가 되는 이더넷이 필드버스를 대체할 새로운 산업 기술로 각광받게 된 것이다.
국내 산업 현장에 있어서도 필드버스가 디스크리트 분야인 생산 분야에는 이미 거의 다 투입이 되어 있는 상태지만, 프로세스 분야의 경우는 아직도 필드버스의 적용이 미약한 실정이다. 따라서 현장에서 산업용 이더넷의 본격적인 사용은 아직 많은 시간이 필요하다. 그러나 산업용 이더넷이 갖는 긍정적인 다양한 특징으로 인해 산업 현장에서의 산업용 이더넷 도입은 이미 대세가 되고 있다.
표준화 추진 현황
현재 산업 통신망 관련 국제 표준은 ISO(국제표준화기구)와 IEC(국제전기표준회의) 두 단체에서 추진중이다. 양 기관은 상호 협력주의를 기반으로 IEC에서는 전기, 전자, 정보기술 분야를, ISO에서는 산업 자동화 시스템 등 기타 분야를 각각의 활동범위로 채택하고 있다.
양 기관에서 발표한 최근의 산업용 네트워크 표준으로는 지난 2000년에 IEC TC65/SC65C에서 IEC61158(Digital Communications)로 발표되었으며, Profibus, ControlNet, Foundation Fieldbus, Interbus, Swiftnet, WorldFIP, P-net, FF HSE 등으로 구성되었다. 이들 필드버스 표준들은 지속적인 논의를 통해 2003년 5월 공식적인 국제표준으로 발표되었다. 또한 IEC TC65/SC65C/WG6에서는 IEC61784-1 규격으로 ‘필드버스(Fieldbus)’를 채택하였으며, 최근 WG11을 통해 추가된 IEC61784-2 규격으로 ‘리얼 타임 이더넷(Real Time Ethernet)’을 선정했다.(그림3 참조)
ISO에서는 개방형 구조를 지향하는 오픈 프레임워크 표준을 ISO TC184(산업자동화통신망표준)/SC5(구조 및 통신)/WG5(Open Framework)에서 표준을 준비하여 2003년 10월 ISO15745(Open Framework)로 공표하기에 이르렀다.
ISO15745는 2006년 현재 Part1에서 Part5까지 발표되었으며, 총 16개의 개방형 통신 네트워크 프로트콜들이 표준으로 채택되었다. 특히 Part5는 지난 3월에 ISO15745-5로 최종 승인되었다. Part5에는 PROFInet, MODBUS TCP, Ethernet Powerlink, EtherCAT, CC-Link 등 5개 프로토콜 항목이 포함되었다. 이는 산업용 오토메이션 시스템의 애플리케이션 통합 프레임워크 시리즈 규격의 완결판이라 할 수 있다.
이로써 2006년 현재 개방형 구조의 산업용 네트워크는 총 16개의 프로토콜이 국제 표준으로 완결된 상태이다. 여기서 주목되는 부분은 일본 미쓰비시가 주도하고 있는 CC-Link이다. 그 동안 CC-Link는 국제 필드버스 표준화 활동에 소극적인 모습을 보여 왔으나, 세계 각국에서의 국제 표준화 추진 활동과 생산 현장에서의 표준 네트워크에 대한 관심이 높아지는 것에 고무되어 적극적인 방향으로 선회한 경우이다. 또한 독자적인 프로토콜을 고수했던 지난 시기와 달리 산업용 이더넷을 적극 수용하기 위한 연구개발를 완료한 상태이기도 하다.
산업용 이더넷과 IT 기술
최근 들어서는 필드버스 표준이 개방형 산업용 이더넷을 수용하는 방향으로 분위기가 쏠리고 있으며, 산업 현장에서도 산업용 이더넷에 대한 관심과 함께 적극적으로 받아들이고 있는 중이다. 이러한 분위기 속에서 대다수의 필드버스들은 산업용 이더넷을 서둘러 채택하고 있으며, 적극적인 연구개발과 규격 제정에 나서고 있다.
아직까지는 산업용 네트워크가 필드버스 성분과 이더넷 기반 성분이 혼재되어 있는 상황이지만, 머지않아 필드버스 보다는 이더넷 분야가 주도권을 갖게 될 것이라고 분석이 지배적이다.
이처럼 산업용 이더넷이 주류로 떠오르는 것은 상위의 정보 레벨로부터 하위의 필드레벨에 이르기까지의 끊김없는 수직적 통합에 있다. 또한 일반화되고 지속적인 발전을 거듭하는 이더넷 기술을 활용함으로써 기술적인 혼란없이 쉽게 사용자에게 다가갈 수 있으며, 네트워크를 위한 배선 및 스위치 등에서의 비용절감을 기대할 수 있다는 장점이 있다. 네트워크 스위치와 I/O가 반드시 요구되는 필드버스와 달리 산업용 이더넷은 스위치 등의 하드웨어를 줄여줄 수 있기 때문이다.
이렇듯 산업용 이더넷이 미래 지향적인 산업 기술로 성장하고 있는 것은 산업용 이더넷에 근간을 이루는 이더넷과 TCP/IP가 개방화된 기술로 오래전부터 많은 유저들을 확보하고 있으며, 향후에도 산업분야에 지속적인 영향력을 발휘할 IT기술과의 접목이 고려되기 때문이기도 하다. 산업용 이더넷은 상위로부터 하위레벨까지의 수직적이고 수평적인 끊김없는 통합을 최대의 장점으로 실사용자층에 접근하고 있는 중이다.
그럼에도 산업용 이더넷도 기존의 필드버스와 마찬가지로 상호운용성에 대한 어려운 과제를 안고 있다. 이는 일부 조직이나 개별적인 산업용 이더넷 프로토콜의 활동으로 가능한 영역이 아니며, 국제적인 논의와 공동의 연구개발, 그리고 영향력있는 실사용자층의 적극적인 조율과 압력하에서 가능한 분야이다.
가장 활발하게 활동하고 있는 대표적인 산업용 이더넷 기반 통신망으로는 Profinet, EtherNet/IP, FF HSE(high speed etherner), Ethernet Powerlink, IDA-Modbus 등이 있다. 또한 국제 연구포럼으로 Ethernet/IP, Ethernet Powerlink, IDA-Modbus가 소속되어 있는 IAONA(Industrial Automation Open Network Alliance)가 주목된다.
아이씨엔 매거진 2006년 10월호(창간호)
